4. Розробка функціональної та принципіальної електричної схем підсистеми введення сигналів від датчиків температури
4.1. Вибір та обґрунтування елементної бази інформаційно-вимірювальної системи
У складі розроблювальної системи доцільно застосовувати сучасні технічні засоби автоматизованих систем управління.
Серед великого розмаїття фірм-виробників технічних засобів сучасних автоматизованих систем керування, таких як Siemens, IBM, Octagon Systems, Advantech та інших, зосередимо увагу на південно-корейській фірмі Advantech [ ]. Офіційними представниками цієї фірми у Росії та Україні є відповідно фірми Prosoft та Logicon.
При розробці нових продуктів фірма Advantech насамперед зважає на потреби замовників. Процес розробки починається з роботи оглядового комітету, який складається зі співробітників відділів продаж по всьому світові, котрі щоденно знаходяться в контакті з клієнтами. Метою діяльності даного комітету є визначення потреб замовників у області функціональності продуктів, їх конструкції й вартості. Цей комітет, так само як і вся компанія, завжди радий отримати інформацію безпосередньо від клієнтів. Після появи ідеї нового продукту формується робоча група, що складається зі спеціалістів з маркетингу, системників, розробників, конструкторів, програмістів і техніків. Увага Advantech до всіх деталей розробки гарантує замовникам отримання найбільш досконалого обладнання й програмного забезпечення.
Для забезпечення високої якості продукції група контролю якості розробок здійснює контроль всіх розроблюваних виробів. Необхідне тестування проводиться на протязі всього процесу розробки. Тести містять у собі контроль якості розведення (з точки зору електромагнітної сумісності, ЕМІ), функціональні тести, контроль відповідності проектним специфікаціям та тести на сумісність з іншими виробами. При контролюванні використовуваних компонентів розглядаються питання надійності й визначається середній час напрацювання виробу на відмову (MTBF). Виготовлення пробної партії ніколи не розпочинається, поки всі вказані тести не будуть успішно пройдені.
Для всіх виробів лабораторія контролю якості проводить широку програму тестування на стійкість до впливів навколишнього середовища. Ця лабораторія оснащена широким набором сучасного обладнання, що дозволяє проводити всі основні тести на зовнішні впливи. Після успішного проходження всіх вказаних тестів новий продукт передається до незалежних випробувальних центрів для проведення офіційної сертифікації.
Постійно контролюється додержування встановлених правил, виконання необхідних процедур з контролю якості, а також розробляються нові правила й заходи з забезпечення незмінно високої якості продукції. Більш ніж 500 детальних документів та технологічні інструкції є частиною системи з підтримки якості на рівні вимог стандарту ISO‑9001.
Тільки після того, як розроблений продукт перевірений на відповідність технічному завданню й пройшов усі тести, він передається у виробництво. Під час серійного виробництва вироби підлягають додатковому пильному тестуванню. Замовникам постачається абсолютно справний виріб.
Для підвищення продуктивності праці Advantech застосовує автоматизоване складальне виробництво. Великі інвестиції в устаткування для встановлення компонентів і їх монтажу з двохрядковим розміщенням контактів, а також для поверхневого монтажу, візуального контролю, функціонального тестування й групового "гарячого" тестування продуктів – це лише частка зусиль Advantech з забезпечення високої якості й своєчасного постачання. Фірма Advantech додержується правила постійно покращувати якість продукції й підтримувати повне навантаження виробництва.
Як доповнення до власного автоматизованого виробництва фірма Advantech побудувала надійні партнерські відносини зі своїми постачальниками.
Таким чином, фірма Advantech розробила комплекс неперервного контролю якості на виробництві. Протягом виробничого процесу, починаючи з контролю вхідних компонентів і закінчуючи складанням продукту й його інтеграцією в систему, кожний виріб проходить спеціально для нього створені процедури контролю. Розвинені процедури статичних і динамічних "гарячих" прогонів дозволяють виявити існування потенціальних проблем із забезпеченням якості. Періодичне навчання й контроль знань персоналу, а також налагодження й калібрування технологічного устаткування додають впевненості, що всі вимоги з забезпечення якості дотримуються.
Фірмою Advantech випускаються такі технічні засоби:
промислові робочі станції та панельні комп’ютери;
промислові плоскопанельні монітори;
промислові IBM PC сумісні комп’ютерні шасі;
промислові одноплатні комп’ютери;
периферійні пристрої;
пристрої послідовної передачі даних;
пристрої для збору даних та керування, що встановлюються в IBM PC сумісні комп’ютери;
нормалізатори сигналів та клемні плати;
пристрої віддаленого збору даних та керування;
а також програмне забезпечення.
Такий перелік технічних засобів задовольнить найвибагливішого розробника автоматизованих систем керування в будь-якій галузі.
Технічні засоби серії ADAM‑3000 є економічними і простими в експлуатації модулями нормалізації і гальванічної розв’язки аналогових сигналів. Ці модулі легко монтуються, призначені для захисту контрольно-вимірювальної апаратури від шкідливого впливу перетоків по загальних шинах живлення, шумів, що викликають двигуни та інших електричних завад.
Модулі ADAM‑3000 забезпечують трирівневу (по входу, виходу і живленню) гальванічну розв’язку з напругою ізоляції до 1000В постійного струму. Оптична ізоляція забезпечує високу точність і стабільність операцій введення/виведення при мінімальному споживанні енергії.
Діапазон вхідного-вихідного сигналу для модулів ADAM‑3000 може бути встановлений за допомогою перемикачів. Модулі серіїADAM‑3000 забезпечують можливість введення сигналів у вигляді струму чи напруги, сигналів термопар і термометрів опору, а також виведення сигналів у вигляді струму чи напруги.
Входи для під’єднання термопар забезпечені вбудованими схемами компенсації температури холодного спаю. Це забезпечує точність вимірювання температури і дозволяє перетворювати сигнал термопари у вихідний сигнал у вигляді напруги чи струму.
Діапазон частот вхідного сигналу може бути обмежений значенням 5Гц за допомогою активного фільтра низьких частот (ФНЧ) або розширений до 1кГц, якщо ФНЧ відімкнутий.
Живлення модулів серії ADAM‑3000 здійснюється постійною напругою 24В. Живлення може бути підведене від сусіднього модуля, що значно спрощує монтаж та обслуговування.
Модулі серії ADAM‑3000 можуть бути легко змонтовані на DIN-рейку, сигнали під’єднуються до клемних зажимів.
Розроблювана в дипломному проекті система є багатоточковою та розподіленою, тому доцільно використовувати також модулі віддаленого збору даних та керування серії ADAM – 4000 фірми Advantech.
Модулі серії ADAM‑4000 є малогабаритними багатофункціональними інтелектуальними пристроями зв’язку з об’єктом, спеціально розробленими для застосування в промислових умовах експлуатації. Вбудований мікропроцесор, що входить до складу кожного виробу, забезпечує незалежне від керуючої обчислювальної системи виконання функцій гальванічно ізольованого введення-виведення аналогових і дискретних сигналів з наступною нормалізацією, фільтрацією, перетворенням у форму, придатну для передачі послідовним каналом зв’язку, а також забезпечує інформаційний обмін з ведучим вузлом мережі передачі даних на базі інтерфейсу RS‑485.
У модулях ADAM реалізована функція віддаленого програмного настроювання типів і діапазонів прийнятих аналогових сигналів, що забезпечує можливість їхнього застосування для сполучення з різними датчиками і перетворювачами неперервних параметрів. Тип і діапазон вхідного сигналу встановлюється шляхом передачі на адресу модуля послідовним каналом зв’язку відповідної команди від керуючої ЕОМ. Таким чином, для вирішення різних вимірювальних задач можливе застосування модулів того самого типу, що істотно скорочує витрати на розробку й обслуговування систем, а також додає їм універсальність, необхідну при виконанні серійних проектів.
Сторожовий таймер, що входить до складу виробів серії ADAM‑4000, забезпечує повторний запуск їх вбудованого програмного забезпечення у випадку непередбаченої зупинки його виконання, викликаної електромагнітними перешкодами чи збоями по ланцюгах живлення. Дана функціональна можливість дозволяє значно знизити витрати на технічне обслуговування системи.
Для об’єднання модулів серії ADAM‑4000 у багатоточкову мережу передачі даних, створювану на базі керуючого комп’ютера з використанням стандарту послідовного зв’язку RS‑485, потрібно тільки одна пара проводів, що утворять двохпроводову симетричну лінію зв’язку. Керування багатоточковою мережею модулів ADAM‑4000 здійснюється центральним комп’ютером шляхом передачі через послідовний порт символьних команд і прийому відповідних повідомлень від модулів. Команди представляються у форматі ASCII. Таким чином, мережа послідовної передачі даних, що містить модулі ADAM‑4000, може керуватися комп’ютером практично будь-якого виробника і з будь-якою архітектурою.
Електричне живлення модулів серії ADAM‑4000 здійснюється нестабілізованою постійною напругою від 10 до 30 В. Крім того, у модулях реалізовані засоби захисту від переполюсовки напруги живлення. Під’єднання і від’єднання ланцюгів живлення до модуля може виконуватися без порушення працездатності мережі, у складі якої функціонує даний модуль.
Серія ADAM‑4000 являє собою набір модулів, що забезпечують інтеграцію в єдину систему пристроїв операторського інтерфейсу і пристроїв збору даних і керування, у тому числі дискретного й аналогового введення-виведення, релейної комутації і введення імпульсних сигналів. Крім того, у складі серії існує і ряд комунікаційних модулів для обміну даними різними каналами зв’язку: безпроводовим (радіоканал), проводовим волокно-оптичним лініям зв’язку, з використанням інтерфейсів RS‑485 і CAN, протоколів ModBus і DeviceNet. Користувач може вибрати той канал зв’язку, що оптимально відповідає розв’язуваній задачі. Дані для відображення і контролю можуть бути прямо передані на верхній рівень системи керування через мережу Ethernet. Всі описані можливості реалізуються без великих додаткових витрат з використанням уже наявних каналів у ліній зв’язку.
Для створення прикладних програм, що взаємодіють з модулями серії ADAM‑4000, можна скористатися будь-якою мовою програмування високого рівня, що підтримує виконання операцій над рядками, представленими у форматі ASCII, такими як С, Pascal чи Basic.
Для забезпечення цілісності переданих даних і виявлення помилок модулі серії ADAM‑4000 оснащені засобами формування і перевірки контрольної суми в переданому і прийнятому повідомленнях. Дані засоби здійснюють включення двох символів контрольної суми в кожне повідомлення, передане каналом зв’язку, що дозволяє перевірити відповідність прийнятого повідомлення переданому.
Сервісна програма, що входить у комплект постачання модулів, істотно полегшує процес перевірки їхньої працездатності, настроювання і калібрування каналів аналогового введення-виведення. Крім того, є можливість простого зчитування значень на каналах аналогового введення і логічних рівнів на каналах дискретного введення. У результаті процес навчання правилам створення власного програмного забезпечення може бути істотно скорочений.
Більшість найпопулярніших SCADA-систем, таких як FIX32 фірми Intellution, GENESIS32 фірми Iconics, InTouch фірми Wonderware, Lab VIEW фірми National Instruments і, звичайно, GeniDAQ фірми Advantech, мають можливість взаємодії з модулями серії ADAM‑4000. За допомогою цих програмних пакетів стає можливим швидке створення закінчених додатків, що вирішують задачі збору даних, керування, відображення й архівування даних, а також аналізу процесів. При цьому практично не потрібно ручного програмування.
Таким чином, можна зробити такі висновки щодо достоїнств модулів серії ADAM‑4000:
можливість віддаленого програмного настроювання діапазонів вхідного сигналу;
вбудований сторожовий таймер;
гнучкість мережевих функцій;
придатність для експлуатації в промислових умовах;
простота настроювання й програмування;
підтримка популярними програмними пакетами збору даних та керування.
Серії компактних пристроїв розподіленого збору даних та керування ADAM‑5000 призначені для реалізації систем з використанням протоколів Fieldbus. Пристрої серійADAM‑5000 дозволяють за необхідності побудувати для збору даних та керування системи на базі інтерфейсу RS‑485, на основі промислової шиниCAN, а також системи довільної архітектури.
Пристрій ADAM‑5510 являє собою компактний програмовний контролер, виконаний на базі мікропроцесора 80188 і працює під керуванням операційної системи Datalight ROM-DOS. Програмне забезпечення дляADAM‑5510 може бути створене як за допомогою традиційних мов програмування, наприклад, С/С++ в середовищі Inprise (Borland)TurboC, так і за допомогою мов логічного програмування, що відповідають стандарту МЕК-1131-3, з використанням системи програмування Advantech Paradym-31. Остання система представляє собою потужний і разом з тим легкий в освоєнні та застосуванні повнофункціональний інструментальний засіб розробки, який в багато разів прискорює створення прикладних програм.
Технічні засоби серії ADAM‑5000 забезпечують можливість реалізації систем різного ступеню складності. Вбудовані програмні засоби, що дозволяють налаштовувати діапазони вхідних сигналів і встановлювати умови видачі керуючих сигналів при досягненні значень вимірюваних параметрів заздалегідь заданих величин, надають користувачу максимальну гнучкість при створенні системи. Для обміну даними з керуючим комп’ютером можуть використовуватись різні лінії зв’язку: симетрична вита пара, оптоволоконна лінія зв’язку чи радіоканал.
У пристроях серії ADAM‑5000 для виявлення несправностей використовуються апаратно-програмні засоби самодіагностики.
Вироби серії ADAM‑5000 можуть встановлюватися на DIN-рейку чи на панель, що забезпечує простоту під’єднання джерел сигналів, наступну модифікацію та технічне обслуговування системи.
Пристрої серії ADAM‑5000 зберігають працездатність в діапазоні температур від мінус 10°С до +70°С. Електричне живленння пристроїв здійснюється нестабілізованою постійною напругою від 10В до 30В.
Модулі серії ADAM‑5000 мають трирівневу гальванічну ізоляцію, у тому числі по ланцюгам живлення і для модулів введення-виведення з напругою ізоляції 3000В постійного струму, а також для портів послідовного зв’язку з напругою ізоляції 2500В постійного струму.
Пристрій ADAM‑5000 складається з двох компонентів: базового блоку та модуів введення-виведення. В базовий блок може бути встановлено до 4 модулів введення-виведення, які забезпечують до 64 каналів дискретного введення-виведення або до 32 каналів аналогового введення. Є можливість гнучкого конфігурування системи в залежності від кількості й виду контрольованих параметрів, а також від розташування контрольованих об’єктів.
Також заслуговують на увагу технічні засоби американської фірми Octagon Systems [ ].
Фірмою Octagon Systems випускаються такі технічні засоби:
модулі центрального процесора – 4020, 4010, 4000, 5025А, 5066, одноплатний комп’ютер PC-325D, одноплатний комп’ютер PC-510, одноплатний комп’ютер PC-500;
IBM PC сумісні мікроконтролери – 6010, 6020, 6030, 6040, 6050;
периферійні модулі – модулі відеоадаптерів, модуль лічильників-таймерів, модуль керування рухом, адаптери мереж, модем, модулі інтерфейсів, багатофункціональний модуль, багатоканальні модулі послідовного зв’язку, модулі дискретного введення-виведення, модулі аналогового введення-виведення, модуль аналого-дискретного введення-виведення, модулі аналогового виведення, модулі контролерів НГМД/НЖМД, макетний модуль, модуль розширювача магістралі;
каркаси;
а також індикаторні панелі, клавіатури, клемні плати, з’єднувальні кабелі.
Основні особливості, а саме – достоїнства, технічних засобів Octagon полягають в наступному:
розширений діапазон робочих температур;
гарантована стійкість до впливу вібрацій та одиночних ударів;
низьке енергоспоживання;
висока надійність;
малі габаритні розміри;
багато варіантів монтажу;
простота експлуатації.
Розглянемо перераховані особливості детальніше.
Технічні засоби Octagon зберігають працездатність при температурі оточуючого повітря від мінус 40 до +85ºС.
Модулі Octagon витримують вібрації 5g і одиночні удари до 20g.
Завдяки 100% застосуванню електронних компонентів виконаних за технологією КМОП, потужність, яка споживається технічними засобами Octagon, складає близько 10% номінального значення даного параметра, характерного для аналогічних засобів. Це значить, що для цих модулів не потрібно примусового охолодження навіть при встановленні у герметизовані корпуси і конструктиви. Крім того, електричне живлення модулів здійснюється напругою одного номіналу 5 В, що знижує вартість системи, а також спрощує її монтаж і обслуговування.
Середній час безвідмовної роботи модулів центрального процесора фірми Octagon Systems складає від 10,27 до 26,25 років, що стало можливим завдяки виконанню жорстких вимог стандартів якості, встановлених для кожної стадії створення виробів: розробки, виготовлення і випробувань.
Габаритні розміри модулів, які виготовляє Octagon Systems, складають 124,5×114,3мм при збереженні функціональних можливостей плат повної довжини (355,6мм). В той же час модулі Octagon мають вищу міцність і надійність.
Універсальність габаритного виконання і різноманітність варіантів монтажу технічних засобів Octagon забезпечують можливість їх застосування в переважній більшості перспективних розробок. Модулі Octagon можуть встановлюватись майже в будь-які конструкти ви сучасних обчислювальних систем промислового призначення, що представлені на ринку.
Є можливість встановлення модулів у монтажні каркаси з магістраллю ISA або безпосередньо в пасивні об’єднувальні плати. Крім того, модулі можуть бути розміщені один поряд з іншим на горизонтальній поверхні, під прямим кутом і один над іншим у вигляді етажерки, а також встановлені в плати введення-виведення спеціального призначення або ж функціонувати автономно. Найбільш переважний варіант монтажу вибирається в залежності від особливостей конкретного застосування.
Крім того, фірма Octagon Systems представляє свою унікальну 4‑точкову систему кріплення модулів з магістраллю ISA, покликану вирішити проблеми, зв’язані з традиційним 2‑точковим кріпленням. На даний час передбачена фіксація модуля у встановлювальній позиції з усіх чотирьох сторін: знизу – у з’єднувачі магістралі, зверху – шляхом використання спеціальних кріпильних планок та з інших двох сторін – за допомогою направляючих каркаса. Все це значно знижує вірогідність небажаних зміщень модуля у встановлювальній позиції.
Простота експлуатації забезпечується не лише наявністю бібліотек базового програмного забезпечення та документації, яка містить вказівки по застосуванню технічних засобів, але також тим, що в системний ПЗП модулів процесора поміщена автоматично завантажувана операційна система ROM‑DOS, сумісна з MS‑DOS. При цьому не вимагається змінювати положення переміщуваних перемикачів. Достатньо встановити свою прикладну програму, і система одразу готова до роботи.
Все це дозволяє застосовувати технічні засоби Octagon Systems в різних областях:
автоматизація промисловості;
метрологія;
зв’язок;
військова промисловість;
медицина;
транспорт;
глобальні системи місцевизначення;
авіаційна та космічна техніка;
нафтодобування;
сільське господарство;
гірська промисловість.
Російська фірма Fastwel також пропонує широкий спектр компонентів для автоматизації технологічних процесів і вбудованих систем [ ].
Технічні засоби Fastwel знаходять застосування у відповідальних прикладних програмах не лише в промисловості, але й на транспорті, в телекомунікація й багатьох інших галузях, де вимагається надійне обладнання, здатне працювати в жорстких умовах експлуатації.
Маючи великий науково-технічний потенціал, Fastwel постійно розробляє нові вироби й технології. Виробничі можливості компанії дозволяють виробляти високоякісну продукцію, яка відповідає світовим стандартам. Продукція Fastwel повністю враховує специфіку ринку як з набору підтримуючих типів сигналів, так і зі стійкості до несприятливих факторів зовнішнього середовища.
Fastwel випускає широку номенклатуру виробів в популярному форматі MicroPC, одноплатні комп’ютери, виносні модулі ПСО, а також необхідні аксесуари і допоміжні вироби. Для сучасних прикладних програм , які вимагають високої продуктивності і широкого набору інтерфейсів, призначені процесорні плати на базі процесора Intel Pentium M у форматах CompactPCI, VME і EPIC. Все обладнання працює в індустріальному діапазоні температур від мінус 40 до +85°С.
Системи CompactPCI прекрасно зарекомендували себе у відповідальних прикладних програмах, чи то телекомунікаційна галузь, чи бортові системи. Процесорні плати Fastwel відповідають всім найсучаснішим вимогам з функціональності й надійності. Можуть використовуватися у якості автономних одноплатних комп’ютерів.
VME – найбільш популярний стандарт побудови систем контролю й керування для військових і високо відповідальних прикладних програм.
Стандарт ЕРІС є напрямком вбудованих систем, який найбільш динамічно розвивається. У ньому сполучаються найкращі якості форм-факторів РС/104, ЕВХ і 5.25”. Номенклатура засобів Fastwel у стандарті ЕРІС включає в себе високопродуктивні рішення на базі процесора Intel Pentium M.
3.5” – найкомпактніший із стандартних форм-факторів для вбудованих систем. Процесорні плати фірми Fastwel є надійними багатофункціональними платформами для широкого спектру прикладних програм.
Модулі формату MicroPC дозволяють швидко будувати недорогі високонадійні вбудовані системи і системи автоматизації з готових «цеглинок».
Стандарт АТ96 сполучає в собі всі достоїнства євро механіки і звичної в промисловій автоматизації шини ISA.
РС/104 є міжнародним стандартом, в якому працює велика кількість виробників. Системи РС/104 компактні, легко розширюються і стійкі до ударів та вібрацій.
Також фірма Fastwel здійснює випуск різноманітних приналежностей систем АСУТП для автономного застосування чи монтажу на DIN-рейку.
Тож, робимо висновок, що у складі розроблюваної інформаційно-вимірювальної системи для реакторної установки доцільно застосовувати технічні засоби відомих фірм Advantech, Octagon Systems та Fastwel.